受力状态和平顺性好的钢轨斜面焊接接头.pdf

一种受力状态和平顺性好的钢轨斜面焊接接头，涉及铁路建设的钢轨焊接技术领域，是把已有钢轨焊接面为垂直于钢轨纵向的平面改为与钢轨纵向成α角的斜面，同时把已有钢轨焊接面为平行于垂直钢轨方向的平面，改为与钢轨垂直方向成β角的斜面。这便改善了焊缝的受力状态，减缓了车轮通过钢轨作用于焊缝的剪切力和因温度下降钢轨因收缩作用于焊缝的拉力。由于焊缝为斜缝，便减缓了车轮通过焊缝时的上下颠簸和左右摇摆，同时增加了焊缝的长度或焊接面的面积，相应的降低了对焊接质量的过高要求。按照本发明具体实施，无需对路基、道床、轨枕和扣件等进行改变，这便提高了钢轨铺设的效率和焊缝承载能力，降低了铁路建设的成本。

1.  一种受力状态和平顺性好的钢轨斜面焊接接头，由轨底、轨腰、轨头和焊接面构成，其特征在于：焊接面与钢轨平行方向呈α角；或与钢轨上下垂直方向呈β角，其中α角的范围为75°至30°，β角的范围为30°至70°。

2.  根据权利要求1所述的受力状态和平顺性好的钢轨斜面焊接接头，其特征在于：焊接面与钢轨平行方向呈α角，α取值为75°。

3.  根据权利要求1所述的受力状态和平顺性好的钢轨斜面焊接接头，其特征在于：焊接面与钢轨平行方向呈α角，α的范围为30°至35°。

4.  根据权利要求1所述的受力状态和平顺性好的钢轨斜面焊接接头，其特征在于：焊接面与钢轨平行方向呈α角，α的范围为30°至45°。

5.  根据权利要求1所述的受力状态和平顺性好的钢轨斜面焊接接头，其特征在于：
焊接面与钢轨平行方向呈α角，α的范围为30°至40°。

6.  根据权利要求1所述的受力状态和平顺性好的钢轨斜面焊接接头，其特征在于：焊接面与钢轨上下垂直方向呈β角，β角取值为40°至65°。

7.  根据权利要求1所述的受力状态和平顺性好的钢轨斜面焊接接头，其特征在于：焊接面与钢轨上下垂直方向呈β角，β角取值为30°。

8.  根据权利要求1所述的受力状态和平顺性好的钢轨斜面焊接接头，其特征在于：焊接面与钢轨上下垂直方向呈β角，β角取值为45°至65°。

9.  根据权利要求1所述的受力状态和平顺性好的钢轨斜面焊接接头，其特征在于：焊接面与钢轨上下垂直方向呈β角，β角取值为50°至70°。

10.  根据权利要求1所述的受力状态和平顺性好的钢轨斜面焊接接头，其特征在于：垂直于钢轨纵向X的平面变为与纵向X成α角的斜面情况下，又将平行于钢轨垂向Z的平面变为与Z成β角的斜面。

受力状态和平顺性好的钢轨斜面焊接接头
技术领域：
本发明涉及铁路钢轨制造技术领域，一种钢轨焊接接面的结构改进。
背景技术：
现有的无缝钢轨由轨底、轨腰、轨头和焊接面构成，焊接面为垂直于钢轨纵向的平面，随着客车的高速化和货车的重载化，焊接在铁路无缝钢轨中便成为关键技术之一。因此国内外对钢轨焊接的技术竞相研究，但是都把注意力集中在焊接材料和焊接工艺方面，对焊接接缝的几何形状却无人问津，钢轨焊接焊缝的几何形状仍停留在垂直于钢轨纵向的平面，如图8所示。因环境温度下降，沿钢轨纵向X对焊缝有很大的收缩拉力，在列车运行时，由于爬坡或刹车，车轮作用于钢轨B对焊缝也产生拉力，假设这三个拉力的总和为F_X，F_X是垂直于焊缝的拉力；与此同时，轮缘由钢轨内侧沿Y向对钢轨B产生的挤压力F_Y，F_Y是完全作用于焊缝的剪切力；车轮对钢轨B沿Z向的压力F_Z，F_Z也是完全作用于焊缝的剪切力。于是焊缝承受的是双剪一拉的恶劣应力状态，这就对焊接强度提出了很高的要求。此外，由于焊缝的突起或凹陷，当车轮通过焊缝时，也产生上下颠簸和左右摇摆，随着列车的不断增重和提速，这些现象更加突出，不但影响了列车运行的平稳性，而且增加了焊缝断裂的几率和运行的安全性，因此这是当今钢轨焊接技术领域亟待解决的问题。
发明内容：
本发明为了解决上述存在的问题，提出一种受力状态和平顺性好的钢轨斜面焊接接头，它既改善了焊缝的受力状态，增加了焊缝的承载能力，又减缓了车轮通过焊缝时的冲击、上下颠簸和左右摇摆。
本发明的上述目的是这样实现的，结合附图说明如下：
一种受力状态和平顺性好的钢轨斜面焊接接头，它是在不涉及钢轨辅设的基础、道床、轨枕和扣件等的前提下，把钢轨的接头焊接面制成斜面。
由垂直于钢轨纵向X的平面变为与纵向X成α角的斜面，把平行于钢轨垂向Z的平面变为与Z成β角的斜面，其中钢轨两端焊接面的倾斜角度相对应的α角的范围为75°至30°，β角的范围为30°至70°，于是车轮对钢轨沿Z向作用在斜面上的力，便分解为垂直于斜面的压力和平行于斜面的剪切力，轮缘由钢轨内侧沿Y向作用于斜面的力便分解为垂直于斜面的力和平行于斜面的剪切力，把沿X方向的拉力分解为作用于斜面的拉力和平行于斜面的剪切力，这便把现行钢轨接头焊缝由双剪一拉的恶劣受力状态，转化为拉、剪、压的复合应力状态，这不但增加了焊缝的长度或面积，改善了焊缝的受力状态，减缓了车轮对焊缝的冲击、上下颠簸和左右摇摆，而且降低了对焊缝质量的过高要求。
在垂直于钢轨纵向X的平面变为与纵向X成α角的斜面情况下，又将平行于钢轨垂向Z的平面变为与Z成β角的斜面，能够进一步提高本发明的技术效果。
本发明的有益效果是：设计新颖、结构紧凑，在不涉及铁路钢轨现行铺设的路基、道床、轨枕和扣件等的前提下，使焊缝的受力状态、平顺性和颠簸、震动等都有显著改善，而且提高了焊接效率，减少了焊接用费。
附图说明：
图1是焊接面与平行钢轨方向X成α角的示意图；
图2是图1的仰视图
图3是图1的正视图；
图4是焊接面与垂直钢轨方向Z成β角的示意图；
图5是图4的仰视图；
图6是图5的正视图；
图7是综合图1和图4的示意图；
图8是钢轨已有焊接面的示意图。
在图1至图8中A、B是前后两段钢轨，1是轨底，2是轨腰，3是轨头，4是接头焊接面，(X，Y，Z)是右手直角座标系，X为平行于钢轨的方向，Y为由内向外垂直于钢轨的方向，Z为由上向下垂直于钢轨的方向。
具体实施方式，下面结合附图对受力状态和平顺性好的钢轨斜面焊接接头作进一步具体说明：
参阅图1至图3，焊接面由原来垂直于X轴的直平面，变为与X轴成α角的斜面，α角的取值范围为75°至30°，因温降钢轨收缩作用在斜面上的拉力F_X便分解为垂直于斜焊接面的拉力和平行于斜焊接面的剪切力，于是减小了作用在斜焊接面上收缩力F_X，同时轮缘由钢轨内侧沿Y方向作用在直焊接面的剪切力F_Y便分解为垂直于斜焊接面的力和平行于斜焊接面的剪切力，于是便减小了轮缘对斜焊接面的剪切力；由于车轮通过焊缝时的直线变为斜线，这便减小了车轮的冲击和上下颠簸，增加了通过的平顺性；由直焊接面变为斜焊接面增加了焊缝的长度或焊接面的面积，相应地降低了对焊接质量的过高要求。
参阅图4至图6，焊接面由原来平行于Z轴的直平面，变为与Z轴成β角的斜面，β角的取值范围为30°至70°，由车轮作用在钢轨B的压力对原来直焊接面的纯剪切力F_Z分解为垂直于斜焊接面的力和平行于斜焊接面的剪切力，于是减小了作用在焊接面上的剪切力F_Z；由于焊缝由沿Y轴的直线焊缝变为与Y轴成β角的斜焊缝，便增加了轮缘作用在斜焊缝处的平顺性；由于由直焊缝变为斜焊缝增加了焊缝的长度或焊接面的面积，相应地降低了对焊接质量的过高要求。
参阅图7，图7是将图1和图4综合于一体，图7的焊接斜面与X轴成α角、与Y轴成β角，于是便同时具有了沿X轴的抗拉性能，沿Y轴和Z轴的抗剪性能。当所铺设的线路为普速、重载、大半径或直线线路，α角可取75°，β角取40°至65°为宜；当所铺设的线路为小半径或山区的普载、普速，β角可取30°，α角取30°至35°为宜；当所铺设的线路为高速客车，α角可取30°至45°，β角可取45°至65°为宜；当所铺设的线路为高速重载时，α角可取30°至40°，β角可取50°至70°为宜；于是便改善了在焊接面的承载能力、抗拉能力和适应能力。
本发明的优异技术效果在于：
1、参阅图1至图3，假设已有钢轨的焊接直平面所受的拉应力为σ_X，由于把已有直平面变为与钢轨纵向成α角的斜平面，于是沿斜平面的拉应力σ_X′＝σ_Xsin²α，这就使作用在焊接面上的拉应力减少了sin²α，如果取α为45°，拉应力便减至原来拉应力的一半，而且由于焊缝由直缝变为斜缝，增加了车轮通过焊缝时的平顺度。
2、参阅图4至图6，假设已有平行于钢轨焊接直平面所受的剪切应力为τ_Z，由于将其变为与钢轨Z向成β角的斜平面，于是沿斜平面的剪切应力τ_Z′＝τ_Zcos²β，这就使作用在焊面上的剪切应力降低了cos²β，如果取β为45°，剪切应力便减至原来剪切应力的一半，而且由于焊缝由直缝变为斜缝，增加了轮缘通过焊缝时的平顺度。
3、参阅图7，由于图7是图1和图4的综合，焊接面由原来垂直于钢轨纵向的直平面变为与钢轨纵向X成α角、与钢轨垂向Z成β角的斜平面，于是便把上述1和2的效果统一于一体，同时根据线路的实际情况和列车的载重及行驶速度确定α角和β角的范围。
由于上述1、2和3的优异技术效果，便解决了现行钢轨焊接存在的一些亟待解决的问题，而且α角和β角可根据实际情况设定。